Trouver la bonne technologie pour résoudre le défi énergétique des centres de données
La numérisation et le déploiement rapide des services cloud ont stimulé la croissance des centres de données dans le monde entier. Les centres de données consomment près de un pour cent de l'électricité mondiale, un chiffre qui devrait seulement augmenter. Les tendances du secteur, telles que le métavers et la réalité augmentée et virtuelle, continueront de demander plus d'énergie que la planète ne peut produire durablement. Bien qu'augmenter la contribution des énergies renouvelables soit un pas dans la bonne direction, cela ne suffit pas, et l'efficacité énergétique est un autre domaine d'intérêt qui vise les près de 40 pour cent des coûts opérationnels des centres de données dus à la consommation d'énergie par les serveurs et leurs systèmes de refroidissement.
Les normes mondiales pour les alimentations des centres de données continuent également d'évoluer vers une efficacité accrue. Le Open Compute Project (OCP) 3.0 offre une optimisation supplémentaire du matériel qui réduit la consommation d'énergie, et les exigences de certification 80 Plus Platinum et Titanium ainsi que les réglementations Ecodesign de l'UE en Europe (ErP) Lot 9 continuent d'évoluer (Tableau 1). La prochaine mise à jour du Lot 9 est déjà prévue pour janvier 2026.
| Efficacité | Facteur de puissance | 80 Plus | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Exigence | Sortie/Charge | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 230 V non redondant | 230 V redondant |
| Lot 9 (Mars 2020) | Multi | - | 88% | 92% | 88% | - | - | 0,90 | - | Gold | Gold |
| Unique | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0,95 | - | Platinum* | Platinum | |
| Lot 9 (Jan. 2023) | Multi | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0,95 | - | Platinum* | Platinum |
| Unique | 90% | 94% | 96% | 91% | - | - | 0,95 | - | Titanium | Titanium |
Tableau 1 : Lot 9 et 80plus ont des exigences similaires, les applications 80plus titanium exigeant une efficacité de crête pfc >98,5 %.
Alors que la puissance des processeurs et des serveurs augmente, les centres de données consomment plus d'énergie par rack. Ils ont maintenant besoin de blocs discrets de 2 à 4 kW, tandis que l'industrie tend vers des densités de puissance encore plus élevées.i Distribuer cette puissance aux niveaux de première génération de 12 V signifie devoir gérer des courants beaucoup plus élevés. Pour fournir 1 kW à un rack de serveurs, l'architecture traditionnelle de 12 V doit délivrer 83 A de courant. Pour contrôler les pertes I2R et répondre aux préoccupations de sécurité, il faudrait plus de cuivre dans le faisceau de câbles d'un tel système.
Une amélioration de l'efficacité de un pour cent peut entraîner des économies de kilowatts au niveau du datacenter, et les architectures d'alimentation de deuxième génération, utilisant 48 V (Figure 1), résultent en des pertes I2R 16 fois plus faibles tout en restant en dessous de la limite de tension de sécurité extra-basse (SELV) de 60 V DC selon la norme UL-60950-1, au-delà de laquelle une isolation, un espacement et des tests supplémentaires sont requis. Pour répondre aux nouvelles exigences en matière d'efficacité énergétique, le secteur de l'alimentation des datacenters d'entreprise adopte donc une architecture de 48 V.
Les systèmes de rack de génération 2, construits comme des blocs d'alimentation discrets de 2 à 4 kW, remplacent les énormes onduleurs (UPS) à haute tension et les unités de distribution d'énergie (PDUs) de la génération 1 par des UPS plus petits par rack qui sont chargés à l'aide d'une alimentation en 48 V DC. Les alimentations AC-DC et DC-DC non seulement alimentent chaque carte serveur, mais chargent également la batterie de l'UPS. La suppression du partage de charge et de la redondance de la génération 1 entraîne la nécessité pour chaque alimentation de fonctionner à près de la pleine charge (100%).
Figure 1 : Les économies d'énergie mondiales des architectures électriques de génération 2 peuvent être équivalentes à 27 centrales nucléaires de 1 GW. Source : Fred Lee, Power Architecture for the Next Generation of Datacenter.
Défis pour les alimentations électriques des serveurs
En plus des défis liés aux changements discutés ci-dessus, il convient de noter que les unités d'alimentation électrique (PSU) de l'OCP 3.0, de l'Open Rack V.2 (ORV) et du Bitcoin/mining nécessitent de passer au-delà de 2 kW pour atteindre la plage de 3 à 4 kW. Les fabricants de racks continuent de demander des formats compacts et de faibles profils de 40 mm (hauteur), une densité de puissance élevée, une gestion thermique efficace et économique, ainsi qu'un design EMI pour gérer la commutation haute vitesse qui réduit la taille des composants magnétiques. De plus, il y a besoin d'un contrôle numérique complet et d'une flexibilité de conception en utilisant des MOSFET de puissance montés sur une carte fille.
En envisageant les technologies des dispositifs semiconducteurs pour résoudre ces défis, il faut noter les différences en termes de bande interdite, de rupture électrique critique, de mobilité des électrons et de conductivité thermique, qui affectent toutes la température de fonctionnement maximale, la tension, l'efficacité et les exigences de gestion thermique du système.
La solution semi-conducteur
Bien que le silicium (Si) soit la technologie la plus connue, sa bande interdite plus petite limite la température de fonctionnement, son faible champ électrique de claquage restreint son utilisation à des tensions plus basses, et sa faible conductivité thermique limite la densité de puissance par rapport aux matériaux à large bande interdite, comme le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC).
Pour les efficacités nécessaires dans les alimentations électriques des centres de données, il est important de comparer les pertes de commutation et de conduction. La perte de conduction, qui est la perte I2R du dispositif, est plus faible lorsque la résistance drain-source en conduction (RDS(ON) est basse et fluctue moins avec la température.
Figure 2 montre le RDS(ON) normalisé tracé en fonction de la température pour les technologies que de nombreux concepteurs envisagent d'utiliser pour répondre aux exigences des blocs d'alimentation (PSU) de centres de données Gen 2 — SiC, GaN et Si Super Junction (SJ). Il est intéressant de noter que les dispositifs GaN et SJ présentent tous deux un RDS(ON) inférieur à 25°C, ce qui correspond à des températures peu pratiques pour les alimentations électriques des centres de données. Comme les fiches techniques pour les dispositifs GaN et SJ spécifient souvent le RDS(ON) à 25°C, cela peut induire les ingénieurs en erreur en leur faisant supposer cette spécification à des températures de fonctionnement beaucoup plus élevées pour lesquelles les systèmes sont normalement conçus.
Figure 2 : Un graphique générique montrant le changement typique de RDS(ON) (normalisé) d'un MOSFET en fonction de la température.
Une autre caractéristique intéressante à noter dans la Figure 2 est le changement de RDS(ON) en fonction de la température. La courbe du SiC reste presque plate, et bien que les autres technologies montrent toutes deux une augmentation significative du RDS(ON), ce changement est particulièrement spectaculaire pour le GaN. Étant donné que les concepteurs doivent utiliser RDS(ON) à des températures de jonction réelles de 120°C à 140°C, un appareil SiC de 60 mΩ serait "chaud" à 80 mΩ, tandis qu'un appareil Si SJ ou GaN de 40 mΩ serait réellement significativement >80 mΩ chaud.
La faible perte de commutation du GaN ≠ faible perte totale
La haute mobilité des électrons de GaN est la propriété qui permet son efficacité bien connue et inégalée à des fréquences de commutation très élevées. Parmi les technologies discutées ici, GaN offre la perte de commutation la plus faible (Figure 3).
Figure 3 : Une étude comparant un dispositif au carbure de silicium Wolfspeed de 60 mΩ à un dispositif GaN de 50 mΩ dans une simulation de pfc en totem pole. Pertes de puissance par rapport à la puissance de sortie à gauche, circuit à droite.
Wolfspeed a comparé leur dispositif SiC de 60 mΩ avec un dispositif GaN de 50 mΩ dans une simulation PFC en totem-pole pour constater que bien que le GaN ait des pertes de commutation légèrement inférieures sur toute la plage de puissance, les gains étaient compensés par l'augmentation des pertes de conduction avec la puissance et, par conséquent, l'augmentation de la température de jonction. Cela nécessite que les dispositifs GaN soient surdimensionnés pour compenser les pertes de conduction plus élevées, quelle que soit la fréquence de commutation.
Les tests de GaN ont dû être arrêtés à 3 kW en raison des limitations de puissance de l'appareil. L'étude a clairement démontré que le SiC entraîne des pertes totales nettement inférieures, en particulier aux niveaux de puissance élevés auxquels l'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite est la plus convaincante, comme dans les centres de données. Les différentes spécifications de performance au niveau des dispositifs des trois technologies de semi-conducteurs sont comparées dans le diagramme radar de la Figure 4.
Figure 4 : Le carbure de silicium excelle dans les applications à haute tension, haute puissance et haute température, telles que les alimentations électriques des centres de données.
À première vue, nous remarquons que les avantages du GaN sont la charge de recouvrement inverse la plus basse Qrr pour la perte de commutation la plus faible en mode de conduction continue (CCM) avec un redresseur synchronisé, la capacité de sortie liée au temps la plus faible Coss(tr) pour un temps mort faible, et une haute fréquence et efficacité, ainsi que la capacité de sortie liée à l'énergie la plus basse Coss(er) pour une perte de commutation minimale dans les topologies à commutation dure. Remarquez que le SiC est derrière de près le GaN dans ces attributs, tandis que le Si est nettement en retard.
Les avantages du silicium incluent la plus faible résistance thermique jonction-boîtier Rthjc, ce qui confère de meilleures performances thermiques, et la tension de seuil la plus élevée Vth, qui offre une meilleure immunité au bruit et facilite la commande des dispositifs en Si. Notez que le GaN a un Vth extrêmement bas.
La température de jonction maximale Tj_max et l'énergie d'avalanche, impulsion unique Eas, indiquent la robustesse du dispositif. Le SiC est le plus robuste, comme le montre ce graphique, tandis que le GaN n'a pas de capacité Eas. Le SiC présente également le plus faible changement de RDS(ON) en fonction de la température, ce qui se traduit par de faibles pertes de conduction à haute température. C'est là que le GaN accuse un retard considérable, annulant ainsi tous les gains de faibles pertes de commutation.
Ensemble, les atouts du SiC contribuent à fournir la plus haute efficacité à des niveaux de puissance plus élevés, ainsi que les fortes densités de puissance requises pour les centres de données d'entreprise et d'autres applications tout aussi exigeantes.
Le point de vue du package
Depuis que Wolfspeed a développé la technologie SiC pour une transition réussie à partir de Si, de nombreux types de boîtiers courants en montage en surface et traversant sont disponibles pour les produits SiC. Le GaN, en revanche, fait face à des défis uniques en ce qui concerne la standardisation des boîtiers.
Par exemple, l'emballage traversant GaN est inhabituel car les produits doivent avoir des parasitismes réduits et permettre une commutation à très haute fréquence pour tirer le meilleur parti des points forts du matériau. Le GaN est souvent proposé soit dans de grands QFN soit dans des emballages personnalisés. Les grands QFN souffrent de préoccupations concernant la fiabilité au niveau de la carte et les emballages personnalisés manquent de disponibilité multisource ainsi que de capacités d’outillage chez les sous-traitants.
Les défis liés à l'emballage des dispositifs de puissance GaN ne s'arrêtent pas là. D'autres préoccupations courantes incluent :
- Les broches de source Kelvin, largement adoptées en SiC pour un meilleur contrôle de commutation, ne sont pas réalisables dans le cascode GaN car d'autres paramètres internes comme le FET en cascode et les capacités ne sont pas pris en compte. La source commune ne peut pas être éliminée et le cascode GaN est limité au boîtier TO-247-3 (trois broches) dans lequel la vulnérabilité à l'oscillation de la grille limite les vitesses de commutation.
- Certains emballages personnalisés sur le marché sont si fins qu'ils restreignent l'espace disponible pour un dissipateur de chaleur.
- Un autre boîtier personnalisé sur le marché dispose d'un drain refroidi par le haut, qui nécessite des matériaux d'interface thermique (TIM) avec une haute conductivité thermique pour évacuer la chaleur de l'appareil.
- Un autre boîtier TO-Leadless (TOLL) pour GaN place la grille et la source Kelvin dans une direction différente de celle du Si standard, ce qui rend la transition depuis cette dernière technologie fastidieuse.
Figure 5 : Le boîtier TOLL de Wolfspeed est nettement plus petit que le standard TO-263 et permet un montage en surface à faible coût.
Alors que le marché évolue vers une conception à haute densité de puissance et des contraintes d’espace plus strictes, le boîtier TO-Leadless (TOLL) offre des avantages d’une faible hauteur et d’une empreinte plus réduite, et sa forme sans broches résulte en de faibles inductances de broches qui autrement deviendraient une préoccupation lors d’une opération à haute fréquence. La plus grande surface de la languette de drain du boîtier répond aux préoccupations de performance thermique des petits boîtiers.
TOLL est un boîtier relativement nouveau pour le marché des centres de données et de l'alimentation des serveurs. Wolfspeed soutient toutefois ce marché par le développement de produits dans cette direction, comme avec de nouvelles variantes de boîtier TOLL pour les centres de données et l'alimentation des serveurs.
Une comparaison au niveau du système
Comparé à un pont en H basé sur le silicium, le PFC en totem à CCM basé sur le SiC peut avoir non seulement une efficacité supérieure, mais aussi une densité de puissance plus élevée à un coût similaire ou inférieur.ii Une comparaison de l'efficacité entre les technologies montre clairement que bien que les PFC en totem à CCM basés sur le SiC et le GaN puissent atteindre une efficacité >99 %, le GaN a l'avantage en termes d'efficacité uniquement à très faibles charges. Comme mentionné précédemment, le changement beaucoup plus élevé de RDS(ON) du GaN en fonction de la température (Figure 2) entraîne sa courbe d'efficacité qui plonge considérablement à des puissances/charges plus élevées. Dans des applications, comme les centres de données, qui fonctionnent à ou près de la charge maximale 24/7, le GaN ne parvient donc pas à satisfaire les exigences en matière d'efficacité.
Le SiC, en revanche, offre une efficacité similaire à celle du GaN à mi-charge et une meilleure efficacité à pleine charge (Figure 6).
Figure 6 : Le Carbure de Silicium est le meilleur choix dans un PFC en totem, surtout pour les applications à haute fiabilité.
En prenant une vue d'ensemble incluant la densité de puissance, le nombre de composants et le coût relatif des CCM totem pole PFC basés sur SiC et GaN (Tableau 2), il est noté que le SiC est meilleur que le GaN non seulement en termes d'efficacité dans les applications à haute densité de puissance, mais aussi en termes de complexité de commande de grille, de contrôle et de coût.
| # Self d'inductance PFC | # Semi-conducteur de puissance | Densité de puissance | Efficacité de pointe | Coût | # Pilote de grille | # Pilote de grille | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiC CCM Totem Pole Semi-BL PFC | 1 | 4 | Plus haute | 98.8% | Moyen | 2 | 2 |
| SiC CCM Totem Pole bridgeless PFC | 1 | 4 | Plus haute | 99.1% | Élevé | 3 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole Semi-BL PFC | 1 | 4 | Plus haute | 98.8% | Élevé | 2 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole bridgeless PFC | 1 | 4 | Plus haute | 99.2% | Plus haute | 3 | 4 |
| GaN CRM Totem Pole bridgeless PFC | 2 | 6 | Moyenne | 99.1% | Plus haute | 4 | 5 |
Tableau 2 : Analyse de la topologie et des composants des PFC sans pont à base de carbure de silicium et de GaN.
Dans une autre comparaison de conceptions de démonstrateurs à large bande interdite réelles de diverses entreprises, Wolfspeed SiC montre des avantages évidents (Tableau 3). Voici quelques points clés à noter :
- Un grand nombre de conceptions de référence existantes nécessitent une gestion thermique impraticable et limitent la flexibilité de conception.
- Les conceptions de totems basées sur des FET GaN ont une efficacité inférieure à pleine charge en raison du coefficient de température élevé de RDS(ON).
- Comme prévu, le faible coefficient de température RDS(ON) du SiC permet au design de Wolfspeed de présenter une courbe d'efficacité presque plate de la demi-charge à la charge complète.
- Bien que le SiC et le GaN répondent aux exigences des PFC sans pont dans la gamme de 2 à 4 kW, les pertes de conduction élevées rendent la conception thermique du GaN difficile au-delà de 4 kW.
- Les fréquences des systèmes des conceptions de référence sont limitées aux plages de 45-47 kHz et 60-67 kHz pour maintenir les harmoniques en dessous de 150 kHz conformément aux exigences EMI de la CE. Cela annule l'avantage du GaN en termes de faibles pertes de commutation.
| Rendement maximal | Rendement à pleine charge | Commutateur HF | Commutateur LF | Hauteur (mm) | Densité de puissance (W/in3) | Norme d'efficacité | Norme physique | Commentaires | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Company A 2.6kW | 99,14% | 98,7% | GS66516B 32mΩ GaN | IXFH60N65X2 | 40 | 78 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | SMD GaN |
| Company B 2.5kW | 99,2% | 98,5% | IGO60R070D1 70mΩ GaN | IPT65R033G7 | 45 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | eGaN, limité à 2,5 kW par 70 mΩ |
| Company B 3kW | 98,9% (50% charge) | 98,5% | IMZA65R048M1H 65mΩ GaN | IPW60R017C7 (SJ MOS) | 40 | 32 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | PFC SiC primaire & Si secondaire, LLC Si. Pas de carte fille. |
| Company C 4kW | 99% | 98,55% | GAN041-650WSA 41mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | Cascode GaN |
| Company D 3.6kW | 97,7% | 97,1% | SCTW35N65G2V 55mΩ GaN | TN3050H-12GY | 57 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | SiC, SCR, faible efficacité |
| Company E 4kW | 98,73% | 98,57% | LMG3410R050 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 35 | 123 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | GaN, intercalé, commutation à 115 kHz (dans la bande CE) |
| Company F 3.3kW | 99% | 98,55% | TP65H050WS 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | / | Aucune | Cascode GaN |
| Wolfspeed 2.2 kW | 98,79% | 98,68% | C3M0060065J/K 60mΩ GaN | Diode FRED | 64 | 20 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Aucune | SiC, pas de SR |
| Wolfspeed 3.6 kW | >99% (50% charge) | >98,5% | C3M0045065L 45mΩ SiC TOLL | VS3CDU06H (diode) | 40 | 92 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | SiC primaire avec option SR, concept de carte fille |
Tableau 3 : Une analyse concurrentielle des conceptions de référence en large bande interdite sur le marché.
Solution de 3,6 kW de Wolfspeed
Le nouveau design de référence PFC à pôles totémiques de 3,6 kW de Wolfspeed (Table 3, dernière ligne) vise à résoudre le défi de l'alimentation électrique des centres de données et des serveurs avec une efficacité de >99% à demi-charge et >98,5% à pleine charge, répondant aux exigences 80 Plus Titanium et ErP Lot 9.
| 4 x MOSFETs | 2 x MOSFETs dans la branche HF + 2 x Diodes dans la branche LF | |
|---|---|---|
| Coût MOSFET % | 55,6% | 27,8% |
| Coût Diode % | 0,0% | 8,7% |
| Coût de commande de porte % | 37,0% | 18,5% |
| PCB, Dissipateur thermique | 3,7% | 3,7% |
| Coût d'assemblage | 3,7% | 3,7% |
| Efficacité @ 50% | 99,1% | 98,6% |
| Efficacité @ 100% | 98,9% | 98,5% |
| Coût total 100% | 100,0% | 62,4% |
Tableau 4 : La comparaison de l'efficacité et du coût des options à quatre et deux MOSFET disponibles pour la conception de 3,6 kW de Wolfspeed.
La conception offre également la flexibilité de sacrifier une partie de la haute efficacité pour un coût inférieur, tout en respectant les normes d'efficacité mentionnées ci-dessus (Tableau 4). L'option à moindre coût remplace deux des MOSFETs dans la branche basse fréquence (BF) de la conception par des diodes, tout en les conservant dans la branche haute fréquence (HF).
Un concept de conception à deux cartes filles offre aux clients la flexibilité de choisir la bonne option en fonction de leurs priorités de conception système.
En développant de telles solutions, Wolfspeed utilise son expérience approfondie pour construire un large portefeuille des solutions SiC et GaN sur SiC les plus éprouvées du marché. Avec une équipe spécialisée dans les semi-conducteurs qui comprend le mieux les atouts et le potentiel futur des deux technologies, Wolfspeed est particulièrement qualifié pour cibler la technologie la mieux adaptée à chaque application donnée.
iWiWynn Corp., et al, 48V : Un système de distribution d'énergie amélioré pour les centres de données (http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)
iiWolfspeed, et al, Le carbure de silicium permet l'évolution de la PFC, 17 août 2020 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)
Étiquettes d'article
